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06-18
Spectrum IEEE 一种新型半导体依靠缓慢但稳定的准粒子来完成工作。
科学家们发现了他们所说的迄今为止最快、最高效的半导体。
尽管这种新材料是由地球上最稀有的元素之一制成的，但研究人员表示，有可能找到由更丰富的材料制成且运行速度相当快的替代品。
半导体是几乎所有现代电子产品的基础。
然而，即使半导体已经变得司空见惯，其速度仍然面临限制。
这些速度限制的原因之一与原子振动有关，原子振动以称为声子的准粒子在固体材料中传播。
声子可以在电子设备周围散射携带能量和信息的粒子。
这些通常是电子，但有时是更奇特的粒子，例如激子（电子与其带正电的准粒子对应物、电子空穴结合）。
在一项克服声子可能引起的问题的新研究中，研究人员对由 Re6Se8Cl2（一种由铼、硒和氯组成的分子）制成的半导体进行了实验。
半导体的原子形成称为“超级原子”的簇，每个超级原子的行为都像一个大原子，但具有与用于构建它的元素不同的属性。
每个簇由六个铼原子组成的八面体组成，八面体位于一个由八个硒原子组成的立方体内，簇的顶部和底部各有一个氯原子。
“现在我们知道需要什么结构和电子特性......我们很可能能够找到地球上丰富的铼基材料的替代品。
” — Milan Delor，哥伦比亚大学 当激子和 Re6Se8Cl2 中的声子接触时，它们实际上并没有分散，而是结合在一起形成声子极化子的新准粒子。
这些准粒子能够进行弹道流或无散射流。
在室温下的实验中，Re6Se8Cl2 中的声激子极化子的移动速度是硅中电子的两倍。
这是第一种检测到持续室温弹道激子运动的材料。
半导体中的电子通常在以飞秒为单位的时间尺度上仅行进纳米后就会发生散射。
相比之下，Re6Se8Cl2 中的声激子极化子成功地在一纳秒（大约长了 6 个数量级）内跨越了几微米（大约远了 3 个数量级）。
鉴于极化子可以持续约 11 纳秒，科学家认为声激子极化子在散射之前可以覆盖超过 25 微米。
这些准粒子是由光而不是电流控制的。
这意味着基于它的设备可以以飞秒速度进行处理，比当前千兆赫电子设备的速度快一百万倍。
研究人员最初没有测试 Re6Se8Cl2，认为结果将证明它是一种新型改进的半导体。
相反，他们在实验室显微镜上测试了一种他们认为不应进行任何操作的材料。
该研究的资深作者、纽约哥伦比亚大学的物理化学家米兰·德洛尔表示，他们终于发现了他们所见过的最快的半导体。
经过两年的研究，Delor 和他的同事现在相信他们明白了为什么 Re6Se8Cl2 的表现如此出色。
事实证明，与硅中的电子相比，这种半导体中的激子移动非常慢。
然而，这意味着激子可以与同样缓慢移动的声子配对。
由此产生的准粒子是“重的”，这意味着它们移动缓慢但稳定。
相比之下，电子是“光”，这意味着它们反弹得更多，最终实际上无法移动很远或很快。
Re6Se8Cl2以及石墨和六方氮化硼也是所谓的范德华材料。
这些材料由光滑的原子薄层的堆叠薄膜制成，通过称为范德华相互作用的弱电力结合在一起，这通常使胶带具有粘性。
先前的研究表明，当不同范德华材料的原子片彼此堆叠形成所谓的异质结构时，就会出现新的混合特性。
Re6Se8Cl2 的一个主要问题是铼是地球上最稀有的元素之一。
这使得 Re6Se8Cl2 非常昂贵并且不太可能商业化。
然而，Re6Se8Cl2属于具有相同结构和电子特性的超原子半导体家族。
这些材料中有许多是由更丰富的元素制成的。
其中包括最近发现的一种名为石墨烯的全碳材料，它类似于排列成片状的碳球。
德洛尔说：“现在我们知道了实现本研究中发现的新传输机制需要哪些结构和电子特性，我们很可能会找到地球上丰富的铼基材料的替代品。
”总而言之，研究人员认为，声子极化激元“可能是一种在不同材料中实现长程能量流的通用方法，而传统上人们预计这些材料不会表现出良好的传输特性。
” “这是一个令人惊讶的发现，我们期待着将其应用到更多系统中，”德洛尔说。
“这项工作的另一个警告是它依赖于激子而不是电子。
” “虽然激子像电子一样携带信息和能量，但它们不一定与半导体行业目前使用的硬件兼容，”德洛尔说，因此这些半导体的应用“可能与传统半导体的应用不一样”。
德洛尔说，由这些半导体制成的潜在设备可能包括使用激子而不是电子的“弹道晶体管”。
也可以将其用作非常高效的光探测器，或用于计算以减少能量损失并提高性能。
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